整理第五章存储系统教案051213.docx
《整理第五章存储系统教案051213.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《整理第五章存储系统教案051213.docx（34页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
整理第五章存储系统教案051213
第五章存储系统
本章内容
☐5.1存储系统概述
☐5.2内部存储器
☐5.3高速缓存
☐5.4外部存储器概述
☐5.5硬盘驱动器
☐5.6其它外部存储器
☐5.7移动存储设备
5.1存储系统概述
☐存储系统
将两种或两种以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法组织起来就构成存储系统。
☐特点：
系统的存储速度接近较快的存储器，容量接近较大的存储器。
1.存储系统的组成
2.存储器的层次结构
☐微机拥有不同类型的存储部件
☐由上至下容量越来越大，但速度越来越慢
3.存储器的分类
❑内存—CPU能直接访问的存储器称为～。
⏹作用：
存放当前运行的程序和数据。
⏹特点：
快，容量小，随机存取，CPU可直接访问。
⏹通常由半导体存储器构成RAM、ROM
☐外存—CPU不能直接访问的存储器称为～。
⏹作用：
存放非当前使用的程序和数据及一些长期保存的程序和数据。
⏹特点：
慢，容量大，顺序存取/块存取。
需调入内存后CPU才能访问。
⏹通常由磁、光存储器构成，也可以由半导体存储器构成磁盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、MO
4.存储介质
☐5.存储器的性能指标
☐
（1）存储容量：
存储容量是指存储器能存储二进制数的多少。
最基本的存储器单元是位（bit），在计算容量时常用字节（Byte）作单位。
最常用的单位是千字节KB、MB、GB和TB。
☐2.存取速度
存取速度（或存取时间）是指从请求写入（或读出）到完成写入（或读出）所需的时间，其单位为纳秒（ns，10-9s）。
☐内存的快慢也可以用存储器的最大频率（MHz）和数据传输率（MB/s）来表示。
☐3.错误校验
内存条采用的错误校验主要有两种：
奇偶校验和ECC校验。
☐奇偶校验是写入操作时在每个字节后增加一个校验位，使增加了校验位后的每个字节中“1”的个数为偶数（称为偶校验）或为奇数（称为奇校验）。
☐以后再要从内存读出时，只要计算读出的字节中“1”的个数，即可知道读出的数据是否出错。
计算“1”的个数是由硬件电路实现的，速度很快，并不会影响读写操作。
101101101110010011
☐有无奇偶校验位一般均可正常工作，但在CMOS设置中必须与实际情况相一致。
☐计算机中有校验的内存条和无校验的内存条不可混用。
☐内存条上是否有奇偶校验位，可以从外观上看出。
☐ECC（ErrorCheckingandCorrecting错误检查和纠正）
ECC内存使用额外的bit存储一个根据数据计算出来的ECC代码。
数据被写入内存，相应的ECC代码同时也被保存下来。
当重新读回原来存储的数据时，将保存下来的ECC代码与读数据时产生的ECC代码做比较。
如果两个代码不相同，就可以用原ECC码改正错误。
奇偶校验只能发现错误，不能纠正错误，主要用于普通微机中。
而ECC校验既可以发现错误，也能纠正错误，由于其价格较高，一般只用于高档服务器中。
☐4.内存Bank
☐物理Bank（PhysicalBank，P-BanK）：
物理Bank就是内存和主板上的北桥芯片之间用来交换数据的通道。
物理Bank的位宽应与CPU数据总线位宽一致。
☐逻辑Bank（LogicalBank，L-Bank）：
内存是用一个个Cell来存储数据的，一个cell存储1Bit。
具有一定容量和一定的位宽的cell阵列就是一个逻辑Bank。
5.2内部存储器
5.2.1内存的组成
☐RAM的组成
☐1.静态RAM（StaticRAM）
（1）基本电路
优点：
不需要动态刷新，外部电路简单，存取速度高。
缺点：
集成度低；功耗大
静态RAM的结构
2.动态RAM（DynamicRAM）
动态RAM的结构
5.2.2内存的种类－RAM
☐1.RAM的特点
（1）可读可写。
读出时不破坏原数据。
（2）随机存取。
存取任一单元所需时间相同。
（3）易失性（挥发性）。
断电后数据丢失。
5.2.2内存的种类-SRAM
2.SRAM
☐SRAM没有刷新问题。
只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据，因此称为静态存储器。
优点：
不需刷新，速度快，外围电路比较简单。
缺点：
集成度低，功耗大。
☐SRAM的存取速度在5ns以下，单片容量256KB左右。
在PC机中，SRAM被广泛地用作高速缓冲存储器Cache。
5.2.2内存的种类-DRAM
☐2.DRAM
☐DRAM是靠MOS电路中的栅极电容来存储信息的。
☐由于电容上的电荷会逐渐泄漏，需要定时充电以维持存储内容不丢失（称为动态刷新，每隔1－2ms刷新一次）。
优点：
集成度高，功耗低。
缺点：
需要刷新，速度慢，外围电路就较为复杂。
☐DRAM广泛应用于微机系统中的内存条（主存）。
在微机应用中，与用户关系最密切的是DRAM，也就是内存条。
近几年来，随着微机速度的不断提升，内存条的种类也经历了从PMDRAM、EDODRAM到SDRAM、RDRAM和DDR的发展历程。
5.2.2内存的种类-SDRAM
（1）SDRAM
☐SDRAM-同步式DRAM（SynchronousDRAM）。
SDRAM在一个CPU时钟周期内即可完成数据的访问和刷新，即可与CPU的时钟同步工作，极大地提高了存储器的存取速度（采用了双存储体结构，交替存取，自动切换）。
☐SDRAM的存取时间约为6～10ns，是Pll/Plll微机中流行的标准内存类型配置
5.2.2内存的种类-RDRAM
（2）RDRAM
☐RDRAM（RambusDRAM）是由Rambus公司开发的高速DRAM。
RDRAM有两种：
一种是base/concurrentRDRAM；另一种是directRDRAM。
Ø基于base：
频率600MHz，位宽8位，带宽600MB／s
Ø基于direct：
频率800MHz，位宽16位，带宽1.6GB／s
ØPC133SDRAM：
最高150MHz，位宽64位，带宽900MB/s
☐微机中采用的是DirectRambus内存，共有184条引脚，工作电压为2.5/1.8V。
RambusDRAM内存条
☐（3）DDRSDRAM
☐DDRSDRAM（DualdaterateSDRAM双倍速率SDRAM），简称DDR。
☐可以在时钟触发沿的上、下沿都能进行数据传输。
☐它的制造成本比SDRAM略高一些（约为10%左右），但要远小于RAMBUS的价格。
DDRSDRAM内存条
（4）DDRⅡ
☐DDRⅡ内存将是现有DDRⅠ内存的换代产品，它们的工作时钟预计将为400MHz或更高。
DDRⅡ内存将采用200、220、240针脚。
☐DDRⅡ内存采用了四倍带宽内存技术（QuadBandMemory，简称QBM）。
一个QBM模块由两个DDR内存模块组成，其中一个模块运行在正常频率的速度，而另外一个的模块的时钟周期比前一个模块时钟周期正好慢90度的相位差，也就是说两者的工作起始时间相差1/4个时钟周期，通过这种方法来让QBM一个时钟周期实现了4次数据读写。
5.2.2内存的种类-ROM
☐3.ROM的特点
☐ROM（ReadOnlyMemory）
特点：
只能读出，计算机用户不能写入；
计算机断电后数据不丢失。
☐ROM主要用于固化某些在使用中不需变更和很少变更的程序或数据。
例如微机中的BIOS芯片、某些专用设备中的控制程序等等。
☐ROM可分为掩模ROM、PROM、EPROM和EEPROM等类型。
（1）掩模ROM
掩模ROM（MaskedROM）由制造厂家按照事先设计好的线路生产出来，存储内容已经固化在ROM内，不能改变。
其优点是成本低，适用于已定型的、成批生产的产品。
（2）PROM（熔丝型）
PROM是可编程只读存储器（ProgrammableReadOnlyMemory），只允许写入一次，写入的内容不会丢失，也不会被替换。
主要用于针对用户专门需求来烧制其中的内容。
因此PROM大都固化某些在使用中不需变更的程序或数据。
（3）EPROM
EPROM是可擦除的可编程只读存储器（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）。
EPROM中的内容可用，紫外光通过芯片上的一个窗口照射擦除。
写入则是通过专门的EPROM写入器实现的。
EPROM在系统开发人员中得到了广泛的应用。
（4）EEPROM（也写成E2PROM）：
EEPROM是电可擦除的可编程只读存储器（ElectricallyErasableProgrammableReadonlyMemory）。
EEPROM用电就可以在线擦除，而且可以按字节单元来擦除信息。
一般写入和擦除不论多少都只要10ms的时间。
☐4.NVRAM（Non-VolatileRAM，非易失性RAM）
NVRAM既能快速存取，断电时又不丢失数据。
其内部结构分为两部分：
一部分是高速静态RAM阵列；另一部分是与之逐位对应（bit－by－bit）的非易失E2PROM备份阵列。
系统正常工作时，CPU访问SRAM部分以完成快速读写。
当系统断电或者正常关机时，芯片内部的数据保护电路测出电源电压降至4V，就立即关闭写入电路，而迅速地把SRAM中的内容转移到E2PROM中。
电源电压恢复后，E2PROM中的内容又自动放回SRAM阵列中。
这种转储操作能可靠地进行10000次，非易失能力保证能存储10年以上。
☐5.Flashmemory：
快擦型存储器（也译为闪速存储器，简称“闪存”）。
特点：
Ø非挥发性。
借用了EPROM结构简单，又吸收了E2PROM电擦除的特点
Ø高速性（可达70ns）
Ø可区块电擦除（256KB～20GB）
Ø耗电低、集成度高、可靠性高、无需后备电池支持（不加电信息可储存10年以上）
Ø可重新改写、反复使用（10万次以上）
Ø无机械运动部件，抗震性好
5.2.3内存的扩展
☐用多片存储芯片构成所需的内存容量和位数，每个芯片在内存中占据不同的地址范围，任一时刻仅有一片（或一组）被选中。
位扩展
字扩展
字位扩展
⏹存储芯片的存储容量等于：
单元数×每单元的位数：
（M×W）
1.存储器的位扩展
☐位扩展就是对存储芯片的位数进行扩展。
方法：
地址线和控制线（片选、行选、列选、读/写控制）并联，数据线分别引出。
2.存储器的字扩展
☐字扩展就是地址空间的扩展。
方法：
地址线、数据线、读/写控制端，片选端分别引出。
3.字位扩展
Ø
（1）根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数；
Ø
（2）进行位扩展以满足字长要求→单元存储体；
Ø（3）对“单元存储体”进行字扩展以满足容量要求。
☐若已有存储芯片的容量为L×K，要构成容量为M×N的存储器，需要的芯片数为：
（M/L）×（N/K）
5.2.4内存新技术
☐双通道内存技术
☐双通道内存技术就是双通道内存控制技术。
☐它的技术核心：
芯片组（北桥）可以在两个不同的数据通道上分别寻址、读取数据，内存可以达到64×2的位宽。
☐双通道体系包含了两个独立的、具备互补性的智能内存控制器，两个内存控制器都能够在彼此间零等待时间的情况下同时工作，等同于一个128bit内存体系所提供的带宽。
☐例如，当控制器B准备进行下一次存取内存的时候，控制器A就在读/写主内存，反之亦然。
两个内存控制器的这种互补性可以让等待时间缩减50%
双通道技术是一种关系到主板芯片组的技术，与内存自身无关，只要在芯片内部整合两个内存控制器，就可以构成双通道DDR系统。
主板厂商需要按照内存通道将内存扩展槽分为Channel1与Channel2，用户也需要成对地插入内存。
如果只插单根内存，那么两个内存控制器中只会有一个工作，也就没有了双通道的效果。
5.3高速缓存
☐减少CPU与内存之间速度差异的办法主要有3种：
（1）在基本总线周期中插入等待。
（2）采用存取时间较快的SRAM作存储器，这样解决了CPU与存储器问速度不匹配的问题，但却大幅提升了系统成本。
而且SRAM的速度永远也赶不上CPU速度的发展。
（3）在慢速的DRAM和快速CPU之间插入一速度较快、容量较小的SRAM，起到缓冲作用。
使CPU既可以以较快速度存取SRAM中的数据，又不使系统成本上升过高，这就是Cache技术。
☐目前，一般采用第3种方法。
它是PC系统在不太增加成本的前提下，使性能提升的一个非常有效的技术。
☐由于CPU与主存之间在执行速度上存在较大的差异，为提高CPU的效率，并考虑到价格因素，基于程序的局部性原理，在CPU与主存之间增加了高速缓冲存储器—Cache技术
☐Cache与内存的空间比一般为：
1:
128
☐
☐CPU读取指令或数据时首先在Cache中找，若找到则“命中”，否则为“未命中”。
☐
☐命中率影响系统的平均存取速度
系统的平均存取速度=
Cache存取速度×命中率+RAM存取速度×未命中率
Cache的读写操作
贯穿读出式
CPU对主存的所有数据请求都首先送到Cache，在Cache中查找。
若命中，则切断CPU对主存的请求，并将数据送出；如果不命中，则将数据请求传给主存。
优点：
降低了CPU对主存的访问次数
缺点：
延迟了CPU对主存的访问时间
旁路读出式
☐CPU向Cache和主存同时发出数据请求。
如果命中，则Cache将数据回送给CPU，并同时中断CPU对主存的请求；若不命中，则Cache不做任何动作，由CPU直接访问主存。
优点：
没有延迟时间
缺点：
CPU每次都要访问主存，占用了一部分总线时间。
写穿式
☐从CPU发出的写信号送Cache的同时也写入主存，以保证主存数据能同步更新。
优点：
操作简单
缺点：
降低了系统的写速度，并占用了总线时间。
回写式（写更新）
数据一般只写到Cache，当Cache中的数据被再次更新时，将原更新的数据写入主存相应单元，并接受新的数据。
通过对Cache中的数据块设置标志地址或陈旧信息，来更新Cache中不常使用的数据块。
Cache的分级体系结构
☐一级Cache：
容量一般为8KB---64KB
☐二级Cache：
容量一般为128KB---2MB
☐指令Cache和数据Cache
5.4外部存储器概述
☐内部存储器提高了系统的数据读写速度，但容量有限，价格较高。
☐外部存储器提高了系统的存储容量，降低了存储成本，但速度较低。
☐内存和外存构成的存储体系，使系统的存储速度接近较快的存储器，容量接近较大的存储器，且存储成本较低。
☐外存—CPU不能直接访问的存储器称为～。
⏹作用：
存放非当前使用的程序和数据及一些长期保存的程序和数据。
⏹特点：
慢，容量大，顺序存取/块存取。
需调入内存后CPU才能访问。
⏹构成：
通常由磁、光存储器构成，也可以由半导体存储器构成。
主要有磁盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、MO、闪存等。
5.5硬盘驱动器
5.5.1硬盘的发展历史
在发明磁盘系统之前，计算机使用穿孔纸带、磁带等来存储程序与数据，这些存储方式不仅容量低、速度慢，而且有个大缺陷：
它们都是顺序存储，为了读取后面的数据，必须从头开始读，无法实现随机存取数据。
☐1956年9月，IBM开发出第一台磁盘存储系统IBM350RAMAC，其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域，实现了随机存储。
该系统容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘，盘片表面涂有一层磁性物质，它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。
☐1973年，IBM又发明了Winchester（温氏）硬盘，其特点是工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，这便是现代硬盘的原型。
今天电脑中的硬盘容量虽然已经高达几十GB以上，但仍然没有脱离“温彻斯特”模式。
5.5.2硬盘的机械结构
☐1.硬盘的外部结构
台式机：
5.25英寸和3.5英寸
笔记本：
2.5英寸和1.8英寸
☐2.硬盘的内部结构
☐硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、盘头组件、接口及附件等几大部分组成，而盘头组件（HardDiskAssembly，HDA）是构成硬盘的核心，封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片及主轴驱动机构、前置读写控制电路等。
5.5.3硬盘的组织结构
☐硬盘组织结构是由磁道（Tracks）、扇区（Sectors）、柱面（Cylinders）和磁头（Heads）组成的。
☐硬盘的磁道数一般介于300-3000个之间。
每个磁道被分成63个扇区（早期的硬盘只有17个），每个扇区的容量通常是512字节。
☐硬盘由很多个磁片叠在一起，柱面指的就是多个磁片上具有相同编号的磁道。
☐硬盘的容量如下计算：
硬盘容量＝磁头数×柱面数×扇区数×每扇
区字节数
标准IDE盘最多支持1024个柱面，63个扇区，16个磁头，最大容量为1024×63×16×512＝528,482,304B，即528MB；EIDE最多可支持256个逻辑磁头，容量最大可达到8.4GB。
☐簇：
它是磁盘上文件存储的最小单位，通常包含1个或多个扇区。
在硬盘上，簇的大小和分区大小有关。
☐硬盘格式化
☐硬盘格式化有两级，即低级格式化和高级格式化。
☐硬盘的低级格式化是在每个磁片上划分出一个个同心圆的磁道，它是物理格式化。
硬盘在出厂前都已完成了这项工作。
用FORMAT命令对硬盘所作的格式化指的是高级格式化。
☐低级格式化会彻底清除硬盘里的内容，应谨慎使用，低级格式化次数多了对硬盘是有害的。
☐硬盘是一个精密的机械设备，我们不能保证它永远不会出现故障，所以对重要数据的备份是非常重要的。
5.5.4硬盘的工作原理
☐硬盘作为一种磁表面存储器，是在非磁性的合金材料或玻璃基片表面涂上一层很薄的磁性材料，通过磁层的磁化来存储信息。
☐硬盘通电后，盘片就开始高速旋转。
磁头采用轻质薄膜部件，盘片在高转速下产生的气流浮力迫使磁头离开盘面悬浮在盘片上方，与盘面保持0.1~0.3μm的间隙，这样的非接触式磁头可以有效地减小磨损和由摩擦产生的热量及阻力。
☐当硬盘接到一个系统读取数据指令后，磁头根据给出的地址，首先按磁道号产生驱动信号进行定位，然后再找到具体的扇区，最后由磁头读取指定位置的信息并传送到硬盘自带的Buffer中。
在Buffer中的数据可以通过硬盘接口与外界进行数据交换。
☐概括地说，硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。
磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再将这些原始信号变成电脑可以识别的数据。
写操作正好与此相反。
5.5.5硬盘的性能指标
☐1.硬盘容量
即硬盘存储信息量的大小。
单位是MB或GB。
影响硬盘容量的两个因素是单碟容量和碟片数量。
单碟容量就是单张盘片上所能存储的信息容量。
碟片容量越大，数据密度越高，寻找数据所需的时间也相对减少。
现在硬盘的单碟容量越做越大，一般都可以达到20G，因而碟片数量逐渐减少，硬盘变薄了。
☐2.硬盘转速
转速指硬盘内电机主轴的转动速度，其单位是RPM（RoundPerMinute，每分钟旋转次数）。
它直接影响硬盘的数据读写速度，转速越高读写速度就越大。
目前IDE接口的硬盘主轴转速一般为5400和7200rpm。
SCSI硬盘的主轴转速一般可达7200到15,000rpm。
3.平均寻道时间
指磁头从得到指令到寻找到数据所在磁道的时间，单位为毫秒。
现在硬盘的平均寻道时间一般低于9毫秒。
4.内部数据传输率
指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率。
该指标一般取决于硬盘主轴转速和盘片数据密度。
一般采用UDMA/66技术的硬盘的内部传输率为25-30MB/s。
5.外部数据传输率
指从硬盘缓冲区读取数据的速率，单位为MB/S。
它与硬盘的接口类型是直接有关。
6.硬盘缓存
即硬盘接口中的缓冲器。
目前IDE硬盘的缓存一般为512K到8M之间。
而在SCSI硬盘中的缓存已经达到了16MB。
5.6其它外部存储器
5.6.1软驱及软盘
1.软盘驱动器
软盘驱动器由以四部分组成：
（1）盘片驱动机构
它具有一个＋12V的直流伺服电机，由它带动盘片以300转/分的恒速旋转。
（磁头与盘面接触）
（2）磁头定位机构
由步进电机带动磁头小车沿磁盘径向直线运行以便使磁头定位。
（3）数据读写电路系统
读写磁头电路完成数据的读出和写入。
（4）状态检测系统
包括四个检测装置，它们各自向适配器输送相应的接口信号。
●00磁道检测装置 ●索引孔检测装置
●写保护检测装置 ●盘片更换检测装置
2.软盘
☐现在的软盘都是3.5英寸的，通常简称3寸盘。
3寸盘的容量有720KB、1.44MB和2.88MB三种，通常使用的软盘容量是1.44MB。
☐一个1.44M的软盘，它有80个磁道，每个磁道有18个扇区，每个扇区存储512个字节，两面都可以存储数据。
它的容量：
80×18×512×2≈1440KB≈1.44MB。
☐软盘备份数据可以保存5－8年的时间。
在使用软盘时，需要注意：
不要划伤盘片，盘片不能变形，不能受高温、受潮，不要靠近磁性物质等等。
3.软驱的安装
5.6.2光驱及光盘
1.光盘
☐CD-ROM是只能读出而不能写入的光盘，是当前光盘中最普遍的一种。
它的制作成本低、信息存储量大、保存时间长。
☐CD-ROM有两种尺寸，即12厘米和8厘米，最常见的是12厘米的一种。
光盘的结构
光盘上的数据存储和软、硬盘是不同的：
A.光盘是利用“凸凹”来记录存储数据的，而软、硬盘是利用磁性微粒的极性来存储数据的。
B.光盘轨道则是一条从中心开始的渐开线，而软、硬盘轨道是一组同心圆。
C.光盘有光道、扇区，但没有簇的概念，而软、硬盘有磁道、扇区和簇等。
2.光驱
☐组成：
主体支架、光盘托架、激光头组件、控制电路板。
激光头组件由主轴电机、伺服电机、激光头和机械运动部件等构成。
激光头由一组透镜和光电二极管组成。
☐光驱的工作原理：
当光驱读盘时，从激光头发出的激光束照射到光盘上，由于光盘表面凹坑及反射层的存在，光盘表面的反射光也有强弱之分，反射光经光电二极管变成电信号，再经过控制电路的电平转换，变成只含“0”、“1”的数字信号，计算机就能够读出光盘中的内容了。
5.6.3光盘刻录机
1.刻录机和刻录盘的分类
☐CD-R（CDRecordable）可记录光盘驱动器。
具有一次写入多次读取的特点，CD-R盘片可以在CD-ROM光驱和CD-R/RW刻录机上被多次读取。
☐CD-RW（CDReWritable）:
可擦写光盘驱动器。
具有反复擦写CD-RW盘片的功能，同时兼容CD-R光盘和CD-ROM光盘。
☐刻录光盘有两种：
CD-R盘和CD-RW盘
2.CD-R光盘的结构
☐CD-R光盘的塑料衬盘上预先刻有宽度为0.6μm、深度为0.1μm的螺旋形预刻凹槽（Pre-Groove），CD-R或CD-RW刻录机将通过对预刻槽的跟踪和聚焦，来引导激光束对CD-R光盘进
升级会员 